Elettrovalvole: funzionamento e applicazioni

Cos’è una valvola a solenoide?

Una valvola a solenoide è una valvola azionata elettromeccanicamente ed usata per controllare la velocità del flusso in sistemi meccanici fluidi, d’acqua, d’aria, etc.

Sono spesso chiamate semplicemente “solenoidi” e utilizzate in molte applicazioni per il controllo dei fluidi di acqua, aria, petrolio o gas.

Oggi, queste elettrovalvole, sono sempre più impiegate in una vasta gamma di applicazioni e ambienti industriali. Particolarmente diffuse nell’industria pesante, supportano una moltitudine di attrezzature e macchinari per i quali svolgono ruoli chiave nei sistemi pneumatici e di fluidodinamica.

Modelli più compatti di elettrovalvole si trovano spesso anche nei meccanismi di controllo come componenti dei motori dei veicoli, o in una vasta gamma di elettrodomestici, comprese lavatrici e lavastoviglie, depuratori d’acqua, valvole di arresto del gas e molto altro ancora.

In parole semplici, le solenoidi utilizzano una bobina elettromagnetica – o elettromagnete – per aprire e chiudere la valvola stessa. L’operazione di apertura o chiusura può essere differente da valvola a valvola e dipende dal tipo di elettrovalvola scelta.

Le valvole solenoidi possono essere installate e utilizzate più o meno ovunque e permettono all’utente finale di non dover essere fisicamente presente sul posto perché, che si tratti di un impianto a gas o ad acqua, il flusso del fluido viene monitorato automaticamente dal sistema che aziona automaticamente la valvola.

Inoltre, le valvole solenoidi sono anche economiche specialmente se si considerano i numerosi vantaggi operativi.

Caratteristiche principali e apprezzate delle elettrovalvole sono:

• Funzionamento automatico;
• Alta affidabilità;
• Commutazione veloce;
• Commutazione sicura;
• Tempo di reazione istantaneo;
• Comparate ad altre tipologie di valvole consentono un interessante risparmio energetico.

Funzionamento delle valvole solenoidi

In un’elettrovalvola standard come quella a spola idraulica, o quella a fungo, la valvola è collegata al pistone, ai perni di bloccaggio o ad altri dispositivi simili, attraverso un sistema a molla. Il pistone si trova all’interno di un tubo cavo spesso definito “nucleo”.

A seguito di sollecitazione elettrica, il filo della bobina - avvolto all’esterno del nucleo - crea un campo magnetico all’interno del tubo. Questo provoca il movimento del pistone, che spinge o tira la valvola in una direzione o nell’altra, causando rispettivamente l’apertura o la chiusura.

Come già detto in precedenza, l’impostazione di apertura o chiusura della valvola dipenderanno dalla configurazione specifica e dal tipo di solenoide e del controller del solenoide scelti. Ad esempio, se una valvola è di tipo “normalmente aperta”:

• La valvola rimarrà aperta fin quando il solenoide non riceverà un input.La portata del fluido rimarrà comunque costante nel condotto qualunque sia la portata massima dello stesso.
• La valvola verrà automaticamente chiusa (utilizzando la forza elettromagnetica generata nella sua bobina) quando riceverà un input elettromagnetico.Attivandosi la bobina sotto l’impulso elettrico, la valvola viene chiusa e il flusso viene controllato automaticamente.

Non appena il campo elettromagnetico cessa, la valvola ripristinerà il suo stato “normale” e il flusso sarà nuovamente abilitato o limitato.

Nell’elettrovalvola “normalmente chiusa” avviene l’esatto opposto di quanto descritto sopra.

Alcuni modelli di valvole di controllo impiegano ulteriori componenti, comprese le tecnologie di circuito avanzato, per offrire un pacchetto di caratteristiche e funzioni più complesse tra cui, per esempio, la capacità di gestire il flusso o controllare la pressione grazie alla sensibilità della bobina di rispondere ad una gamma più ampia di intensità del segnale in ingresso.

Vale la pena notare che, in termini di fluidodinamica, per valvola “normalmente aperta” (ovvero abilitata al flusso) s’intende l’esatto opposto rispetto alle porte “normalmente aperte” dei sistemi elettronici. In quest’ultimo caso, un interruttore o cancello “normalmente aperto” suggerisce che il circuito è effettivamente interrotto fino ad attivazione o chiusura. Un interruttore “normalmente aperto” è quindi progettato per limitare il flusso di elettricità, mentre una valvola “normalmente aperta” consente la regolare circolazione dei fluidi.

Tipi di elettrovalvola

Esistono numerosi modelli di valvole a solenoidi e questo da un lato consente di poter trovare la valvola ideale, quella con esattamente tutte le caratteristiche necessarie all’utilizzo cui è destinata, d’altro canto tanta offerta può generare un po’ di confusione, almeno a prima vista.

Quando si sta scegliendo un’elettrovalvola è importante osservare i seguenti requisiti:

• Portata: una valvola troppo grande o sovralimentata non sarà conveniente e rischia di sprecare fluidi mentre una valvola troppo piccola o sottodimensionata non sarà in grado di fornire un corretto funzionamento dell’impianto.
• Compatibilità col fluido: è importante scegliere sempre la valvola adatta al fluido col quale dovrà lavorare (acqua, aria, vapore, oli, carburante, o qualsiasi altro mezzo).
• Pressione: La pressione di deve essere bilanciata con i requisiti di sistema per prestazioni ottimali.
• Temperatura.
• Tipo di montaggio.

Seguire le linee guida dei produttori è comunque una buona pratica al fine di validare i requisiti minimi (o massimi necessari). L’acquisto di una valvola i cui parametri operativi espressi siano pari o leggermente superiori, è solitamente un buon approccio, ma attenzione a non eccedere. Pena, il sistema nel quale la valvola viene installata potrebbe non rispondere nel modo ottimale ed essere causa di altri problemi.

I solenoidi in vendita oggi offrono caratteristiche specifiche nelle seguenti aree:

• Elettrovalvola per gas
• Elettrovalvola per acqua
• Elettrovalvola per aria compressa
• Elettrovalvola pneumatica
• Elettrovalvola per alta pressione

All’interno delle macro categorie qui sopra elencate vi è poi una vasta gamma di tipi operativi e funzionali. Di seguito, ti presentiamo una breve panoramica di alcune specifiche fondamentali che un’acquirente dovrebbe sempre considerare per una corretta scelta:

• Elettrovalvole a comando diretto: il solenoide sollecitato agisce direttamente sul pistone o sull’armatura della valvola e pertanto la capacità di limitare o abilitare il flusso dipende dalla potenza nominale del componente;
• Elettrovalvole pilotate: l’apertura o la chiusura della valvola è alimentata dall’energia immagazzinata nel fluido o nel gas pressurizzato. Ciò avviene attraverso una particolare valvola ad azione diretta che reagisce al bilanciamento della pressione su entrambi i lati dell’attuatore (spesso un diaframma).

Così facendo i solenoidi possono essere pilotati internamente o esternamente.

Le elettrovalvole pilotate internamente tendono ad essere utilizzate per sistemi a pressione più elevata mentre quelle pilotate esternamente si basano su un componente terzo, come una molla o un'armatura, che spinge o tira la valvola/diaframma nella direzione richiesta, lavorando in combinazione con differenziali di pressione generalmente più bassi.

Modelli comuni di funzionamento di controllo delle valvole

• Normalmente chiuso
• Normalmente aperto
• Doppi solenoidi
• Valvola di controllo elettronica (PWM)

Modelli comuni di meccanismo interno delle valvole:

• A fungo
• Diaframma
• A spola

Esiste inoltre una vasta gamma di adattatori e supporti per elettrovalvole. Questi devono essere compatibili col tipo di condotto, ad esempio:

• A compressione per tubature del gas o dell’acqua;
• A innesto o coda di cavallo;
• In PVC per guaine in PVC;
• Altri tipi di adattatori come bussole, boccole di riduzione e nippli.

Per uno schema più utile di diversi tipi specifici di elettrovalvola - che avranno applicazioni e capacità leggermente diverse - dovremo esaminare più da vicino il modo in cui i vari formati disponibili di solenoide sono progettati e costruiti.
Abbiamo finora elencato, per sommi capi, alcune caratteristiche o tipi operativi di elettrovalvole a solenoidi in vendita sul mercato. Per avere uno schema più utile e dettagliato dei diversi tipi di elettrovalvola esamineremo ora più da vicino “come” i vari formati disponibili di solenoide sono progettati e realizzati.

Elettrovalvole a due vie

Le elettrovalvole a due vie sono tra i tipi più semplici disponibili: in sostanza, controllano semplicemente una porta di ingresso e una di uscita che aprono o chiudono ogni volta che ricevono il segnale elettrico. Sono disponibili nelle varietà "normalmente aperte" e "normalmente chiuse" a seconda che le applicazioni richiedono che il flusso sia limitato o abilitato nelle condizioni standard.

Elettrovalvole a tre vie

Le elettrovalvole a tre vie hanno tre porte di ingresso/uscita e due valvole sigilli, uno dei quali sarà sempre aperto mentre l’altro sempre chiuso durante la modalità normale (inattiva).

In risposta ad un input elettrico, lo stato aperto/chiuso di queste due valvole viene invertito, consentendo il controllo di varie operazioni della valvola. Il flusso può essere così deviato tra i canali come richiesto, secondo le impostazioni delle porte e i collegamenti delle tubature all’interno del sistema.

Altri due aspetti da considerare sono il coefficiente di portata e il dimensionamento della valvola, estremamente importanti nel caso di elettrovalvole per liquidi ed elettrovalvole per gas e che sono indicati dal produttore nella scheda tecnica del prodotto.

Per le elettrovalvole per liquidi, che sono considerate incomprimibili, i fattori da considerare inoltre sono:

• Capacità di flusso della valvola;
• Portata, spesso espressa come volume al minuto;
• Pressione in entrata e in uscita;
• Perdita di carico attraverso la valvola;
• Peso specifico del fluido.

Per le elettrovalvole del gas, il quale è considerato invece comprimibile, ci sono diverse considerazioni più complesse da fare, tra cui:

• La temperatura del gas nelle varie fasi del passaggio nel condotto;
• La pressione assoluta sia in entrata che in uscita, espressa in metri cubi.

Applicazioni delle valvole solenoidi

• Sistemi di riscaldamento;
• Reti di irrigazione;
• Autolavaggi;
• Sistemi di drenaggio delle piscine;
• Attrezzature mediche e dentistiche;
• Refrigerazione e aria condizionata;
• Pistole per paintball, pompe a pressione e altri strumenti ad aria compressa;
• Sistemi di calibrazione e banchi prova.